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Jun 01, 2024

La scienza dei materiali può risolvere le sfide degli aerei a idrogeno?

Un’alternativa promettente allo stoccaggio dell’idrogeno allo stato gassoso è lo stoccaggio allo stato liquido in serbatoi criogenici (21,2 K/-251,8 ° C) a pressione ambiente. Credito: Dudaeva tramite Shutterstock. La selezione e l'ingegnerizzazione di

Un’alternativa promettente allo stoccaggio dell’idrogeno allo stato gassoso è lo stoccaggio allo stato liquido in serbatoi criogenici (21,2 K/-251,8 ° C) a pressione ambiente. Credito: Dudaeva tramite Shutterstock.

La selezione e l'ingegnerizzazione di specifici materiali avanzati (AdM) svolgono un ruolo importante nella progettazione di velivoli a idrogeno. Particolarmente fondamentale è lo stoccaggio efficiente dell’idrogeno, che richiede che il materiale selezionato abbia una forte interazione con l’idrogeno o nessuna reazione. Sono stati identificati sei metodi di stoccaggio reversibile dell'idrogeno con un'elevata densità volumetrica e gravimetrica, che vagamente si concentrano attorno a tre tipi di stoccaggio: stoccaggio di gas ad alta pressione, stoccaggio di liquidi criogenici e stoccaggio ad assorbimento, in cui l'idrogeno viene assorbito in un materiale e quindi rilasciato selettivamente .

Le bombole di gas ad alta pressione (<20 MPa) sono attualmente il metodo più diffuso per lo stoccaggio dell'idrogeno, con gli acciai inossidabili austenitici – una forma di acciaio inossidabile contenente quantità significative di cromo e nichel – e le leghe di alluminio che sono ad oggi le più popolari, a causa della loro resistenze a trazione molto elevate e densità relativamente basse, nonché la loro elevata immunità agli effetti dell'idrogeno (reazione e diffusione) a temperatura ambiente. Sono state sviluppate anche strutture composite leggere rinforzate con fibre che, pur non essendo isotrope (uguali in ogni direzione) in termini di resistenza, possono essere progettate per resistere a pressioni fino a 80 MPa, per una densità volumetrica significativa – un fattore chiave nello stoccaggio mobile dell’idrogeno. Tuttavia, un problema critico con lo stoccaggio del gas ad alta pressione è l’opposizione tra densità volumetrica e gravimetrica, per cui aumentando la pressione aumenta la prima ma diminuisce la seconda e viceversa. Mentre finora le bombole di gas sono state sufficienti, sono necessari nuovi progetti per gli aerei a idrogeno.

Un’alternativa molto promettente allo stoccaggio dell’idrogeno allo stato gassoso è lo stoccaggio allo stato liquido in serbatoi criogenici (21,2 K/-251,8 ° C) a pressione ambiente. Ciò presenterebbe numerosi vantaggi, tra cui una maggiore sicurezza come risultato di pressioni operative ridotte e una migliore flessibilità di progettazione dei serbatoi poiché i serbatoi pressurizzati possono generalmente essere costruiti solo con geometrie cilindriche. Esiste tuttavia un problema fondamentale con lo stoccaggio di liquidi criogenici: il costo. Il ciclo Joule-Thompson/Linde, il metodo più semplice di liquefazione dell'idrogeno, è ancora complicato e quindi costoso. Inoltre, lo stoccaggio a temperature criogeniche è complesso e le perdite per evaporazione possono derivare da perdite di calore. In condizioni ottimali (un dewar sferico a doppia parete e isolato sotto vuoto), un serbatoio da 100 m³ subirebbe tipicamente una perdita giornaliera dello 0,2%, anche se questa percentuale aumenterà per progetti di serbatoi non ottimali (ad esempio serbatoi non sferici) probabilmente necessari per gli aerei.

Anche se meno sviluppato, è possibile anche lo stoccaggio per assorbimento. Esistono diverse proposizioni, incluso il fisiassorbimento (attrazione) delle molecole di idrogeno sulla superficie di un solido. Possibili substrati sono materiali con ampia area superficiale specifica (cioè rapporto area superficiale-peso), come il carbonio nanostrutturato o attivato e i nanotubi di carbonio (CNT). I CNT sono di particolare interesse poiché la cavità del tubo, che ha una larghezza inferiore a pochi diametri molecolari, causa una sovrapposizione di campo e una maggiore forza attrattiva tra il carbonio e l'idrogeno. In confronto, i fogli planari di grafene in grafite hanno meno attrazione ma sono più facili da produrre.

Il fisiosorbimento per lo stoccaggio dell’idrogeno ha un potenziale grazie alla bassa pressione operativa e al costo dei materiali, nonché alla semplice architettura di progettazione, ma le piccole densità volumetriche e gravimetriche rappresentano inconvenienti significativi. Un altro metodo di stoccaggio dell'idrogeno solido è la reazione con metalli di transizione a temperature elevate per formare idruri. L'idrogeno reagisce con molti degli elementi più elettropositivi (cioè Sc, Ti, Va) e si trova nella struttura cristallina metallica, senza variazioni di pressione nel sistema. Ciò può comportare una densità volumetrica di idrogeno estremamente elevata, rendendo gli idruri metallici un metodo molto efficace con cui immagazzinare in modo sicuro e compatto grandi quantità di idrogeno. L’attuale densità gravimetrica ottenibile di circa il 3% in massa è tuttavia un fattore limitante per gli aerei, il che significa che rimane ancora la sfida di progettare un sistema di idruro metallico leggero.